实验题目：电子标签

1. 课程简要信息

课程：电子系统课程设计；包括 2学时课堂讲解 $^ { + }$ 小学期三周实物制作，适用本科大三学生。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

设计并制作一个如图 1 所示的电子标签系统，系统具有检测电子标签有无和识别标签信息的功能。

图 1 系统示意图

系统由阅读器和标签两部分组成。阅读器和标签之间利用电感耦合（磁耦合）原理，通过两只由漆包线绕制而成的空芯线圈作为耦合线圈进行无线通信。耦合线圈使用给定的如图 2 所示的空芯线圈，其外围尺寸约为 $5 3 \mathrm { m m } \times 4 4 \mathrm { m m }$ ，电感量约为 $5 0 0 \mu \mathrm { H }$ ，使用时可将线圈粘贴在电路板表面以作固定。

图 2 耦合线圈

1）测试中，将标签逐渐靠近阅读器，当阅读器刚刚能识别标签时，阅读器线圈和标签线圈最接近的部分之间的距离定义为最大识别距离 $D$ 。

3. 实验过程及要求（限 300字）

1）学习了解电子标签的基本工作原理；

2）研究电子标签与读卡器的通信原理，学习负载调制的原理及电路实现方法，学习运算放大电路的设计方法；

3）根据题目要求制定不同设计方案并进行论证，选取最合理的设计方案；

4）设计合理的电子标签方案，包括线圈耦合电路、整流电路、倍压电路、电阻负载调制电路；

5）设计合理的阅读器方案，包括线圈耦合电路、谐振电路、检波、放大电路、整形电路、解码电路及显示电路；

6）根据设计方案进行简单的测试，调整元件参数，保证系统的可靠性及稳定性，记录测试数据；

7）撰写设计总结报告，并通过分组答辩、组间讨论的方式学习交流不同方案的优缺点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用线圈耦合谐振、电阻负载调制、信号放大、模数信号转换、检波、放大电路、整形电路、解码电路及显示等相关知识与技术方法。需要同学们深入了解电子标签及读卡器的工作原理，深入运用所学的电路及信号系统的知识，运用所学专业技能实现设计任务。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

本课程的目的是培养学生综合运用所学专业知识和技能解决复杂工程问题的能力，通过本课程，要求学生做到：掌握电子系统设计与分析的基本理论和基本方法；具备比较和评估设计方案的能力；具备利用设计工具和软件的能力。

6. 教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）学习电子系统设计的基本原则和基本方法。
2）学习常用设计软件和工具的使用方法，学习查阅资料和文献。
3）学习机车信号的基本工作原理及基本实现方法，制定合理的设计方案并进行论证。
4）根据设计方案划分多个子模块，以模块的形式分别进行设计。
5）在电路设计、搭试、调试完成后，用标准仪器设备进行实际测量，需要根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，记录测试数据。
6）在实验完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

1）系统结构

2）实现方案

本任务的核心在于理解并合理应用电阻负载调制，电子标签在接近阅读器时通过线圈耦合的方式从阅读器取电并供给电子标签的所有元器件，电子标签随后以通过控制负载电阻的方式实现数据应答；阅读器通过谐振回路读取到电子标签的应答数据，通过放大、检波、解码将电子标签的应答数据解析出来并进行显示。

8. 教学实施进程

本课程包括 2 学时的任务安排讲解和 3 周的实物制作环节，实物设计制作完成后需要撰写实验报告，负责老师统一安排时间进行作品的验收，同时进行单人的答辩环节，最终成绩 $\vdots =$ 实物作品成绩 $^ { \ast } 5 0 % +$ 答辩成绩 $^ { \ast } 3 0 % +$ 实验报告成绩 $\ast 2 0 %$ 。

在课程开始前课程负责老师需要首先进行任务的验证工作，每位负责老师需要将设计任务完整的制作一遍并拍成演示视频，在任务讲解时现场给同学们演示作品的最终效果及测试评分流程。该过程的目的为通过实际制作，让课程负责老师实际掌握该项目设计过程中会遇到的问题，在后续指导学生的时候能够抓住重点，指导效果更加有效。

在实物制作环节会安排指导教师进行答疑，每周每人安排两次答疑时间，现场解决学生遇到的问题，另外平时学生可以在教学平台的讨论区进行讨论或提问，指导教师每天都会去集中解决问题。

答辩环节与实物验收同步进行，对着学生的作品现场提问，每组答辩时间安排半个小时。

9. 实验报告要求

实验报告需要包括以下内容：

（1）设计任务要求（2）设计方案及论证（40分）

a) 任务分析（5分）文字说明及理论计算
b) 方案比较（20分）至少两种方案
c) 系统结构设计（5分）文字说明及原理框图
d) 具体电路设计（5分）完整的电路原理图及文字说明
e) 单片机软件算法流程（5分）

（3）制作及调试过程（20分）

a) 制作与调试流程（10 分）b) 遇到的问题与解决方法（10 分）

（4）系统测试（15分）

a) 测试方法（含接线图）（5分）b) 测试数据（表格）（5 分）c) 数据分析和结论（5分）

（5）系统使用说明（10 分）

a) 系统外观及接口说明（5 分）含 $2 \sim 3$ 张实物照片b) 系统操作使用说明（5分）

（6）总结（10 分）

a) 本人所做工作（5分）b) 收获与体会（5分）c) 对本课程的建议（5分）

（7）参考文献（5 分）

10.考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收（总分 100 分）

根据附表 1《验收测试标准》进行验收评分

2）答辩验收(总分 100 分)：

a) 系统设计思路、工作原理（20分）
b) 系统设计方案的比较与评估（20 分）
c) 对照电路实物及设计报告指出本人在系统设计制作过程中所做的工作，说明团队合作情况（20分）
d) 对照电路原理图和电路实物解释各部分电路的功能、参数计算方法（20 分）
e) 系统设计制作过程、遇到的问题及解决的方案（20分）

3）实验报告验收（总分 100 分）：

根据实验报告验收标准进行验收。

成绩构成：

作品实物——以小组为单位现场测试验收，占总成绩的 $5 0 %$ 设计报告——每人“背靠背”独立撰写，单独打分，占总成绩的 $2 0 %$ 4）答辩——单人答辩，单独打分，占总成绩的 $3 0 %$

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

附表 1：评分表

序号	测试项目	测试方法及评分标准	测试结果	得分
1	通信频率（10分）	将感应线圈接在示波器探头上靠近阅读器线圈，观察感应到的信号的波形和频率。频率在 400～600kHz范围内给10分，超出此范围每超出10kHz扣1分。	观察到感应信号：是□否□感应信号频率： _kHz备注：
2	标签检测（30分）	（1）将标签靠近阅读器，阅读器应能通过蜂鸣器和指示灯进行声光指示，移开标签后指示应自动消除。满足上述要求给30分，如缺少声音或发光指示中的一项扣10分，移开标签指示不消除扣10分。（2）检查标签是否采用干电池供电或采用无源方式工作，如不是扣10分。（3）如采用干电池供电，检查供电电压是否不大于6V，如超过 6V 则每超过 1V扣2分。	标签靠近后有声音指示：是□否□标签靠近后有指示灯发光指示：是□否□移开标签后指示自动消除：是□否□标签使用无源／干电池／其他供电干电池供电电压： _V备注：
3	标签识别率（10分）	如项目2没得分，则本项直接给0分。将标签靠近阅读器，观察阅读器是否能正确识别标签，连续重复操作5次。成功4次及以上给10分，少于4次每少1次扣2分。	正确识别次数：次备注：
4	阅读器选择性识别（10分）	如项目2没得分，则本项直接给0分。分别将输出短路的感应线圈、谐振线圈（将感应线圈与200pF 电容并联）、覆铜板靠近阅读器感应线圈，观察阅读器是否会误将其识别为标签。如无误识别现象，给10分。如对以上三种测试发生误识别，则分别扣3分、3分、4分。	短路线圈测试：识别□未识别□谐振线圈测试：识别□未识别□覆铜板测试：识别未识别□备注：
5	标签无源（10分）	检查标签电路是否仅通过从线圈感应到的电能工作，如是则给10分，如有外加辅助电源则给0分。	标签使用无源方式工作：是口否□备注：
6	阅读器5V单电源供电（10分）	检查阅读器电路供电电源是否为单电源5V，如不是单电源则此项0分，如是单电源5V 供电则给10分，如供电电压不是5V，每高1V扣2分，低于5V不扣	阅读器单电源供电：是□否□阅读器供电电压： V备注：
			分。
7	提高识别距离（10分）		仅当测试项目5、6均满分时方进行本项测试，否则本项直接给0分将标签以适当的角度逐渐靠近阅读器，阅读器刚刚能够识别标签时，用直尺测量最大识别距离D，从Ocm 起，D每增加1cm加2分，最高给10分。	D= _cm备注：
8	标签编号识别（10分）		通过标签上的3位拨码开关随机设置标签编号，然后将标签靠近阅读器，观察阅读器识别结果是否与标签设置一致。修改编号重新测试，反复测试5次，如5次全部正确给10分，错一次扣2分。阅读器未检测到标签时，数码管应熄灭，LCD 显示器应有明确的未检测到标签的指示，如不符，则扣3分。	正确显示标签编号次数：_次未检测到标签时阅读器数码管熄灭或LCD显示器显示未检测到标签指示：是□否□
9	其他功能（额外加分）		仅当测试项目5、6均满分时方进行本项测试，否则本项直接给0分	仅当测试项目5、6均满分时方进行本项测试，否则本项直接给0分
			（1）进一步提高标签识别距离。测试方法同第7项。D在 5cm基础上每增加1cm加2分，不设上限。	D= _cm备注：
			（2）增加标签编号长度并在阅读器上以十进制或十六进制方式显示。测试方法同第8项，以非十进制或十六进制方式显示无效。标签编号长度为4位给5分，大于4位给10分。	标签编号长度：位正确显示长标签编号次数：次备注：
			（3）同时识别多个标签。将两个以上标签同时靠近阅读器，要求阅读器同时识别并显示出所有标签编号。同时识别2个标签给10分，2个以上每增加1个加2分，不设上限。	可同时识别的标签数量：_个
			（4）通过阅读器修改标签编号。标签编号可通过阅读器键盘设置，且掉电不丢失。测试时须制作有两个完全相同的阅读器，使用其中一个阅读器向标签写入编号，再通过另一个阅读器读出该编号。有此功能给10分，否则给0分。	是否有此功能：是□否□备注：
			（5）其他有意义的扩展功能。根据功能的创新性、实用性、难度酌情给0～20分。	功能：备注：
备注

实验案例信息表

案例提供单位		北京交通大学		相关专业	通信工程
设计者姓名		王睿	电子邮箱	rwang@bjtu.edu.cn
移动电话		18500203569	通讯地址(含邮编)	北京市海淀区北京交通大学九教南403.邮编：100044
设计者姓名		马庆龙	电子邮箱	qlma@bjtu.edu. cn
移动电话		18600127805	通讯地址(含邮编)	北京市海淀区北京交通大学九教南403.邮编：100044
设计者姓名		赵翔	电子邮箱	xiangzh@bjtu.edu. cn
移动电话		13811266215	通讯地址(含邮编)	北京市海淀区北京交通大学九教南403.邮编：100044
相关课程名称		电子系统课程设计	学生年级	3年级	学时(课内+课外)	24
支撑条件	仪器设备	示波器、函数发生器、稳压电源、万用表
	软件工具	Altium Designer、Multisim、Tina
	主要器件	自由选择元器件

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